趙旭昊，王曉，郭慶，邢英，糜健

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210013）

0 引言

有源相控陣天線完成發(fā)射信號(hào)的功率放大并向指定空域輻射電磁能量，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行接收和放大，具有波束掃描能力。有源相控陣天線的工作壽命和可靠性均較高，貯存壽命和使用壽命通常都比較長(zhǎng)，但是要評(píng)估有源相控陣天線的壽命比較困難。傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)通常在預(yù)先約定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行，其試驗(yàn)基準(zhǔn)溫度采用試驗(yàn)條件規(guī)定的上下限，被測(cè)天線在工作溫度下長(zhǎng)期工作，獲取長(zhǎng)期工作的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)而推算出被測(cè)天線壽命。采用這種實(shí)驗(yàn)方法能夠獲取有效的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是周期過長(zhǎng)，長(zhǎng)期工作耗費(fèi)人力物力，天線研制周期難以接受。

美國(guó)羅姆航空研發(fā)中心（RADC：Rome Air Development Center）于1967年提出加速壽命試驗(yàn)[1-5]（ALT：Accelerated Life Test），采用阿倫尼斯（Arrhenius）模型[6]、艾林（Eyring）模型等典型的反應(yīng)速度論模型，對(duì)超出正常應(yīng)力的加速環(huán)境下獲得的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造質(zhì)量，已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證手段。采用加速壽命試驗(yàn)技術(shù)，能夠短期內(nèi)快速地發(fā)現(xiàn)所研制產(chǎn)品的質(zhì)量隱患，而采取傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)，周期過長(zhǎng)，質(zhì)量隱患發(fā)現(xiàn)偏晚。通過了加速壽命驗(yàn)證的研制產(chǎn)品的故障率能夠大幅度地降低[7]。采用加速壽命試驗(yàn)技術(shù)，強(qiáng)化環(huán)境試驗(yàn)條件，增大應(yīng)力，能夠在不改變研制產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下，比如在基準(zhǔn)環(huán)境溫度的上限基礎(chǔ)上提高工作溫度、工作電壓等。增大溫度和電壓等應(yīng)力后能夠使得研制產(chǎn)品加速失效，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得必需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估研制產(chǎn)品在正常應(yīng)力下的壽命。綜上所述，采用加速壽命試驗(yàn)技術(shù)，能夠大幅度地提高試驗(yàn)效率，縮短研制周期。

1 加速壽命試驗(yàn)技術(shù)

1.1 加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

被測(cè)天線失效的原因有老化、腐蝕、磨損和疲勞等。當(dāng)有害因素累積到一定的程度就會(huì)導(dǎo)致天線失效。典型模型包括阿倫尼斯（Arrhenius）模型[1]、艾林（Eyring）模型等[7-9]。

1.1.1 阿倫尼斯（Arrhenius）模型

阿倫尼斯（Arrhenius）模型描述的是被測(cè)件的壽命與溫度應(yīng)力之間的關(guān)系[10]，其表達(dá)式如下：

式（1）中：L——被測(cè)天線的壽命、特征壽命；

V——未加速應(yīng)力，采用溫度應(yīng)力就是指絕對(duì)溫度；

B、C——待估參數(shù)。

其中：

根據(jù)：

式（3）和式（4）聯(lián)合就可以求出溫度T相對(duì)于溫度T0的加速系數(shù)，即：

式（5）中：T——絕對(duì)溫度，單位為K；

Ea——激活能，單位為eV；

K——玻爾茲曼常數(shù)，等于8.617 1×10-5eV/K。

1.1.2 艾林（Eyring）模型

艾林模型基于量子力學(xué)推導(dǎo)而來，它表征了被測(cè)天線失效速率與溫度引起的物理和化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)，即：

上述2種模型是最典型的溫度加速模型。采用對(duì)數(shù)進(jìn)行線性變換就可以得到線性模型。評(píng)估溫度較為方便。

上面兩種線性模型可統(tǒng)一為：

式（7）中：θ——母體參數(shù)；

a，b——待沽常數(shù)。

1.2 模型參數(shù)的選取

阿倫尼斯模型更適用于溫度應(yīng)力作為加速應(yīng)力，首先評(píng)估激活能，由于無法直接獲得有源相控陣天線的激活能，有源相控陣天線由多個(gè)品種的單機(jī)組成，而單機(jī)內(nèi)部元器件的失效往往由其中可靠性最低的半導(dǎo)體器件決定。

相控陣天線易失效的器件是半導(dǎo)體功率器件、集成電路，ECSS-Q-30-01提供的半導(dǎo)體器件Ea典型值為：1.1。單機(jī)激活能取Ea=1.1 eV。

1.3 壽命加速因子

加速因子定義為正常工作溫度下被測(cè)天線的壽命L0與提高工作溫度后被測(cè)天線的壽命L1之比：

得到阿倫尼斯模型的加速因子為：

無論被測(cè)天線是否最終失效，只要被測(cè)天線的退化量相同即可。對(duì)于長(zhǎng)壽命的有源相控陣天線，在設(shè)計(jì)的工作壽命時(shí)間內(nèi)很少出現(xiàn)失效。采用加速壽命試驗(yàn)技術(shù)可以基于產(chǎn)品的性能參數(shù)或者特征量退化數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。得出結(jié)論：如果被測(cè)件的性能參數(shù)或者特征量退化不超過某個(gè)閾值，則認(rèn)為被測(cè)件能夠滿足工作壽命內(nèi)性能參數(shù)要求[10-11]。

2 實(shí)例

2.1 來源

某有源相控陣天線設(shè)計(jì)壽命為10年，采用小規(guī)模相控陣天線陣面進(jìn)行壽命試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 參數(shù)計(jì)算和壽命周期計(jì)算結(jié)果

加速壽命試驗(yàn)溫度應(yīng)力選取的原則是不改變被測(cè)天線的失效機(jī)理[3，11-14]，即在提高溫度應(yīng)力條件下的失效機(jī)理與正常工作溫度下的失效機(jī)理要保持一致。如果選擇過高的溫度應(yīng)力，將被測(cè)的工作溫度點(diǎn)升高到超過器件或材料性能改變的溫度點(diǎn)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致被測(cè)天線在使用過程中發(fā)生不可預(yù)期的失效。這種失效不對(duì)天線壽命評(píng)估有意義。相控陣天線各種單機(jī)的工作溫度范圍如表1所示，相控陣天線各種單機(jī)的最高工作溫度為45℃，選取最高工作溫度45℃作為基準(zhǔn)工作溫度。

表1 試驗(yàn)件各種單機(jī)的工作溫度

2.3 模型參數(shù)

該有源相控陣天線設(shè)計(jì)壽命為：軌道上運(yùn)行10年時(shí)間，在軌工作時(shí)間累計(jì)不小于5 000 h。加速壽命試驗(yàn)基準(zhǔn)工作溫度為45℃時(shí)，不同試驗(yàn)溫度條件下加速因子和對(duì)應(yīng)5 000 h的壽命試驗(yàn)時(shí)間如表2所示。綜合考慮試驗(yàn)時(shí)間和安全工作溫度，加速壽命試驗(yàn)溫度選取65℃，加速壽命時(shí)間為465 h。

表2 加速因子和壽命試驗(yàn)時(shí)間對(duì)照表

2.4 試驗(yàn)溫度控制

有源相控陣天線正常是安裝在冷板上，冷板內(nèi)有水冷循環(huán)裝置。組成天線的單機(jī)安裝在冷板的兩側(cè)，安裝后按控溫底板非熱源處粘貼溫度傳感器，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)控溫底板、組成天線的各種單機(jī)包括波束控制器、二次電源、波控單元和驅(qū)動(dòng)放大器的工作溫度，通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)到各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中可以看出，TR組件、二次電源和驅(qū)動(dòng)放大器的功耗較大，這3個(gè)品種單機(jī)監(jiān)測(cè)的溫度較高。

表3 試驗(yàn)件的各種單機(jī)的功耗

2.5 壽命試驗(yàn)過程測(cè)試數(shù)據(jù)

采用加速壽命試驗(yàn)對(duì)有源相控陣天線進(jìn)行在軌全壽命周期的試驗(yàn)和檢測(cè)，并記錄相控陣天線全鏈路各個(gè)通道的全過程定標(biāo)數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)針對(duì)某一個(gè)通道進(jìn)行了幅度和相位的歸一化處理，試驗(yàn)過程中共記錄了3個(gè)頻率點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖1-3所示。測(cè)試結(jié)果如下：幅度誤差在10年壽命期間變化范圍為[-0.2 dB，0.2 dB]，滿足全壽命周期內(nèi)幅度指標(biāo)在[-0.2 dB，0.2 dB]范圍內(nèi)的要求。相位誤差在10年壽命期間變化范圍為[-10°，10°]，滿足全壽命周期內(nèi)相位指標(biāo)在[-10°，10°]范圍內(nèi)的要求?？梢缘贸鼋Y(jié)論：在全壽命試驗(yàn)期間，有源相控陣天線的幅度和相位技術(shù)指標(biāo)無明顯地下降，相控陣天線無故障，能夠滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

圖1 頻點(diǎn)1定標(biāo)幅度和相位隨壽命試驗(yàn)時(shí)間變化數(shù)據(jù)

圖2 頻點(diǎn)2定標(biāo)幅度和相位隨壽命試驗(yàn)時(shí)間變化數(shù)據(jù)

圖3 頻點(diǎn)3定標(biāo)幅度和相位隨壽命試驗(yàn)時(shí)間變化數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

無論在民用領(lǐng)域還是在軍事領(lǐng)域，新產(chǎn)品研制日益呈現(xiàn)周期緊、費(fèi)用控制嚴(yán)格的局面。加速壽命試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品研制試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)無可置疑的發(fā)展方向，能夠大幅度地提高研制效率、縮短研制周期、減少損耗。通過對(duì)試驗(yàn)過程中關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠合理地評(píng)估出設(shè)計(jì)壽命是否滿足，該技術(shù)必將進(jìn)一步地在產(chǎn)品研制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。